Акустооптическая брэгговская дифракция многокомпонентного оптического излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Р Г Б ОД

' На правах рукописи

КОТОВ Владимир Михайлович

/

№

АКУСТООПТИЧЕСКАЯ БРЭГГОВСКАЯ ДИФРАКЦИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва. 1998

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор C.B. Кулаков

доктор физико-математических наук В.И. Миргородский

доктор технических наук В.Н. Федорец

Ведущая организация: Московский Государственный Университет

Зашита состоится 15 мая 1998 г. в 10 часов утра на заседании Диссертационного Совета Д 002.74.01 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907 г. Москва, ул. Моховая, 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института радиотехники электроники РАН

Автореферат разослан « О/ апреля» 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета доктор физико-математических наук

С.Н. Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Акустооптика в настоящее время является одним из наиболее перспективных методов обработки оптических сигналов в реальном масштабе времени, с большой скоростью и в широкой полосе частот. На ее основе создаются быстродействующие модуляторы, конвольверы, корреляторы, фильтры, матричные процессоры и т.д. [1-4].

Одной из бурно развивающихся областей акустооптики является акустооптическое (АО) взаимодействие многокомпонентного оптического излучения с акустическими волнами, где под многокомпопентностью понимается многочастотность излучения с учетом двух состояний поляризации. Такое взаимодействие с одной стороны расширяет возможности исследования конденсированных сред (например, исследование резонансного АО взаимодействия вблизи края собственного поглощения [1], и т.п.), а с другой - позволяет создавать управляемые АО элементы мультиплексирования и демультиплексирования многоцветного оптического излучения, выделять один или несколько оптических каналов из общего информационного потока, коммутировать лучи, обрабатывать сложные оптические сигналы [2-4] и т.д.

В настоящей диссертации рассматривается такой вид АО взаимодействия, когда все составляющие многокомпонентного излучения одновременно дифрагируют на одной акустической волне (в отличие, например, от АО фильтров, где оптические лучи дифрагируют последовательно с изменением частоты звука). Кроме того, в нашем случае дифракция обеспечивается не «угловым гюдстраиванием» под брэгговский синхронизм каждою из падающих оптических лучей посредством применения дополнительных оптических элементов или вспомогательных средств, а природой АО взаимодействия в кристаллах. Это значительно расширяет возможности

управления многокомпонентным излучением, что определяет актуальность и научн\ ю ¡начимосч. нредсювленной работы.

Следу е1 замет иIь. чш существование режимов дифракции, которые обеспечивали бы строгий брэповский синхронизм между несколькими коллинеарно распространяющимися оптическими лучами и одной акуаической волной, не очевидно. Более 1010, возможность такой дифракции в корне меняе! преде 1 пиление о брзповеком режиме АО взаимодействия, поскольку дифракция на «толстых» голографических решетках традиционно сч жалась селективной (см.напр.[5]).

Целью диссертации являлось исследование природы АО брэгговского взаимодсйс1вия многокомпонентного оптического излучения с акустическими волнами в различных средах, что включало в себя:

- теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей АО дифракции многокомпонентного излучения, развитие методов селекции оптических лучей, способных дифрагировать на одной акустической волне при заданных параметрах среды, акустической волны и геометрии АО взаимодейст вия:

- исследование возможностей существенного (в 2-3 раза) увеличения спектральной полосы оптического луча, способного дифра! ировать на одной акустической 1:0:1 не:

- исследование условий АО бри Iопекою расщепления монохроматического излучения и АО дифракции двухцвепюю излучения на одной акустической волне, а шкже прамической реализации лих видов дифракции на базе широкораспрос 1 раненных АО лциериалов;

- жспернмен1а.т1>ное исследование режимов дифракции многокомпоненшого .чмическою излучения на акусшчсских волнах на базе наиболее I и 11СК" I ивных А() крис килов ГеО; и 1дХЬО?:

- поиск режимов АО дифракции, обеспечивающих управление произвольно-поляризованным излечением, в чао ноет - эффективного вывола произвольно поляризованного многокомпонентного оптического излучения из полости лазерного резонатора:

- изучение особенное'!ей АО дифракции двухцветного оптическою излучения на двух акустических волнах в режимах пространственного мультиплексирования и коммутации 2x2;

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в том. что в ней впервые:

1. Разработан мегод селекции оптических лучей многоцветного излучения, способных дифрагировать на одной акустической волне при заданных параметрах среды, акустической волны и геометрии АО взаимодействия.

2. Найден и исследован наиболее эффективный варианч АО дифракции оптического излучения с непрерывным спектром, основанный на обеспечении строгого брэгговского синхронизма между двумя произвольными оптическими лучами и одной акустической волной.

3. Найдены условия АО брэгговского расщепления монохроматического излучения и АО дифракции двухцветного излучения на одной акустической волне. Показано, чю эти режимы описываются уравнением 16-й С1епени к случае только анизотропной дифракции уравнением 8-й степени в случае как изотропной. так и анизотропной дифракции, и уравнением 4-й оепени. если используйся только изотропная дифракция.

4. Разработаны численные методы решения задачи дифракции ,щу\-компонентного излучения на одной акустической волне и определены условия дифракции, допускающие аналитическое решение.

5. Найдено условие коллинеарной АО дифракции дву хниепкио ошичеекою излучения с произвольными наперед заданными .тдинами волн на одном акустическом пучке. Покаишо. чю такой режим дифракции mi-i.ii-

реализовать в двуосных кристаллах благодаря изменению угла между его оптическими осями при изменении длины волны света.

6. Предложен и исследован новый метод управления произвольно поляризованным оптическим излучением, основанный на двойном прохождении оптического луча через гиротропную АО среду. Выявлены особенности и пределы применимости метода при использовании в качестве АО материала одноосного гиротропного монокристалла ТеО?.

7. Найден и исследован вариант высокоэффективного вывода многокомпонентного произвольно поляризованного оптического излучения из полости лазерного резонатора посредством использования АО дифракции в гиротропной среде и дополнительного зеркала.

8. Показано, что АО дифракция двух оптических лучей с произвольными длинами волн при взаимодействии с двумя акустическими пучками в одноосном кристалле допускает режимы, обеспечивающие взаимообмен дифрагированных лучей при поочередном включении акустических волн (режим коммутации 2x2).

Проведенные исследования развивают новое научное направление -акустооптическая брэгговская дифракция многокомпонентного оптического излучения. Это направление тесно связано с современными тенденциями существенного повышения информационной пропускной способности и надежности оптических систем, с необходимостью увеличения быстродействия устройств обработки данных. Этим также определяется актуальность проведенных исследований.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в том. что в ней основной упор сделан на прикладную сторону исследований, позволивший на основе теоретически полученных и экспериментально подтвержденных эффектов изготовить действующие макеты АО устройств, готовых к использованию в различных оптических системах, а именно:

1. На базе высокоэффективного АО кристалла ТеОг созданы АО ячейки, позволяющие управлять шестицветным излучением Аг-лазера с высокой (до 90%) эффективностью.

2. Исследования режимов АО дифракции двухкомпонентного оптического излучения на одной акустической волне позволили создать макеты АО расщепителей на основе ТеО; с использованием пяти различных режимов расщепления. Это позволило перекрыть частотный диапазон 15-230 МГц, обеспечивая эффективность дифракции не менее 80 %.

3. Изготовлены макеты АО ячеек для модуляции произвольно поляризованного оптического излучения, основанные на двойном прохождении луча через гиротропный кристалл Те02. В частности, для излучения Не-Ые лазера на длине волны Л = 0.633 ц т эффективность дифракции составила 90% на частоте акустической волны 35 МГц.

4. На основе монокристалла ТеОг созданы действующие макеты АО ячеек для вывода —юизвольно поляризованного оптического излучения из полости лазерно резонатора. Экспериментально получена эффективность вывода многоцветного излучения Аг-лазера равная 70% от суммарной внутрирезонаторной оптической мощности.

5. Созданы действующие макеты АО пространственных мультиплексоров и коммутаторов 2x2 для переключения оптических лучей с разными длинами волн. Работа по их созданию доведена до готовых рекомендаций для проведения опытно-конструкгорских разработок.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 1. АО взаимодействие в одноосных кристаллах, реализуемое в об.тасж прозрачности кристалла, позволяет обеспечить строгий бр-лговский синхронизм с одной акустической волной шести различных оптически\

лучей, при этом четыре луча претерпевают анизотропную дифракцию, два -изотропную.

2. Обнаружен новый режим АО дифракции оптического излучения с непрерывным спектром. Режим дифракции основан на обеспечении строгого брэгговского синхронизма двух произвольных оптических лучей с одной акустической волной и позволяет увеличить спектральную полосу дифракции в 2.7 раза.

3. Брэгговское поляризационное расщепление монохроматического излучения в одноосном кристалле реализуемо только в случаях, когда плоскость АО дифракции наклонена на угол а * 0 к его оптической оси. При этом частота звука Г растет линейно с ростом а, и рост Г тем сильнее, чем выше анизотропия кристалла.

4. Возможны двенадцать вариантов брэгговской дифракции двухцветного излучения на одной акустической волне, которые удобно разбить на три группы по четыре варианта в каждой в соответствии с типом используемой в них АО дифракции. Угловые и частотные характеристики видов дифракции, базирующихся на применении АО взаимодействия, могут быть определены только численными методами.

5. АО дифракция в гиротропном кристалле в сочетании со свойством зеркальной поверхности менять поляризацию света при отражении позволяет управлять произвольно поляризованным оптическим излучением в широком интервале акустических частот (например, для длины волны излучения 1 мкм интервал частот от 5 до 50 МГц). В сочетании с двумя зеркальными поверхностями данный метод позволяет формировать дифрагированное произвольно поляризованное многоцветное оптическое излучение в одном направлении.

Достоверность .результатов, изложенных в диссертации, гарантирована использованием апробированных экспериментальных методик, тщательностью выполненных исследований, согласием результатов измерений с существующими теоретическими моделями, достижением практической цели - созданием действующих макетов конкретных устройств для расщепления оптического излучения, АО элементов управления двухцветным излучением, АО пространственных мультиплексоров и коммутаторов 2x2.

Личный вклад автора заключается в выборе направления исследований, в формулировке и постановке задач, в проведении теоретических исследований и расчетов, в разработке и изготовлении экспериментальных образцов и измерительных установок, в отработке методики измерений, непосредственном участии в проведении измерений, в обработке и интерпретации полученных результатов. Экспериментальные исследования выполнены исключительно автором, в теоретической части работы 10% исследований проведено совместно с другими исследователями, остальная часть работы выполнена автором.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах [А1-А47], список которых приведен в конце автореферата, а так же докладывались на следующих Международных и Всесоюзных конференциях, встречах, симпозиумах и совещаниях: На Всесоюзной конференции «Волоконно-отические сиоемы передачи» (г. Донецк. 1987), на IV Международной конференции «Асо1к1оор11еь-89»' (г. Варна, 1989). на Международном симногичме по физической акустике (г. Кортрийк. Бельгия. 1990). на Школе-семинаре по акчсюоптике (г. Ленинград, 1990). на Х\'-Всесоюзной конференции «Акустотлектроника и фи¡ическая акустика 1вердою тела» (I.

Ленинград, 1991), на II-Научно-технической конференции «Оптические сети связи» (г. Владимир, 1991), на Ill-Всесоюзном совещании «Применение халькогенйдных стеклообразных полупроводников в Оптоэлектронике» (г. Кишинев, 1991), на Научном семинаре «Датчики-92» (г, Каунас, 1992), на Международной конференции «Photonic Switching» (г. Минск, 1992), на Международной конференции «ISFOC-93» (г. Санкт-Петербург, 1993), на международной конференции «Optical Information Processing» (г. Санкт-Петербург, 1993), на Международной конференции «1SSWAS-94» (г. Санкт-Петербург, 1994), на Ш-Международной Научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (г. Москва, 1995), на II-Европейской встрече акустооптического клуба «Advances in Acousto-Optics 'АА-0'97» (г. Санкт-Петербург, 1997). Кроме того работы, входящие в диссертацию, докладывались и обсуждались на семинарах ИРЭ РАН, в Университете г. Хельсинки (Финляндия), в Университете г. Брюссель (Бельгия) и некоторых других семинарах и совещаниях. На ряд методик и устройств, разработанных в ходе выполнения работы, получены авторские свидетельства. Структура и объем работы:

Диссертация состоит из девяти разделов, включая Введение и Заключение. Общий объем работы 281 страница, включая 47 рисунков, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 181 наименования. Основное содержание диссертации:

В первом разделе (Введение) описываются основные этапы развития оптических методов обработки, передачи и хранения информации, роль и перспективы акустооптики для обработки сигналов в реальном масштабе времени и в широкой полосе частот. Сделан обзор литературы, обоснована актуальность исследования АО взаимодействия многокомпонентного ошического излучения , сформулирована общая цель работы.

Во втором разделе изложены основы теории взаимодействия оптического излучения с упругими колебаниями в кристаллах, которая базируется на понятии параметрического взаимодействия. Только такой подход по современным представлениям позволяет с единых позиций объяснить АО явления, происходящие как в изотропных, так и анизотропных средах. Рассмотрены режимы брэгговской дифракции с расстройкой и без расстройки брэгговского синхронизма, обсуждены предельные параметры, которые может обеспечить АО взаимодействие для управления оптическим излучением. Приведено обоснование формализма векторных диаграмм, широко используемых на практике для определения угловых и частотных характеристик АО дифракции.

В третьем разделе проведено исследование АО взаимодействия многокомпонентного оптического излучения с одной акустической волной в брэгговском режиме дифракции. Сформулирована задача АО дифракции многокомпонентного излучения в линейном приближении (т.е. для случая, когда оптические волны с разными частотами не взаимодействуют друг с другом). Получена система дифференциальных уравнений, описывающих закую дифракцию. Показано, что в изотропной среде АО дифракция многокомпонентного оптического излучения на одной акустической волне с выполнением строгого брэгговского синхронизма невозможна. Это следует из того, что такая дифракция невозможна даже для двухцветною излучения при л\ * Я ; , где Я i и Л 2 - длины волн оптических лучей, участвующих в дифракции. Действительно, из условия sin 0,- sin B¿— f Я ¡ 2v, где 0, и 0¿ -углы падения и дифракции оптическою излучения: f и \ - частота и скорость звуковой волны; Я - длина волны света в среде. - видно, что при заданном угле падения о, и скорости звука v изменение длины волны света Я приводи/ к необходимости менжь частой' звука Г. Иными словами, при заданном 1еомефии АО взаимодействия дифракция лучей с Л i Я; óv.iei

происходить на разных акустических частотах. Дифракция же в анизотропной среде допускает режимы, обеспечивающие строгий брэгговский синхронизм между двумя коллинеарно распространяющимися оптическими лучами с длинами волн Л\ * л 2 и акустическим пучком. Более того, такая дифракция может быть реализована и для п - различных оптических лучей, где п > 2.

Для решения задачи нахождения брэгговского синхронизма между п -компонентным оптическим излучением и акустической волной необходимо использовать дисперсионные уравнения, связывающие частоты и волновые векторы оптических и акустических волн между собой. Вид дисперсионных кривых в анизотропных средах существенным образом зависит от направления распространения лучей в кристалле. Это значительно усложняет задачу и в общем случае она может быть решена только численными методами. В работе развита методика поиска длин волн, а также численного расчета угловых и частотных характеристик АО дифракции п-компонентного оптического излучения, взаимодействующего с одной наперед заданной акустической волной. Методика позволяет определять параметры дифракции в одноосных кристаллах как обладающих, так и не обладающих т итюфопией. Показано, что максимально возможное число оптических лучей, способных находиться в строгом брэгговском синхронизме с одной акустической волной, равно шести. Длины волн оптических лучей зависят от параметров акустической волны (ее частоты, поляризации и ориешации в кристалле), а ■так же от оптических параметров кристалла. В работе рассмотрена АО дифракция многокомпонентного излучения на акустической волне е расстройкой брэгговского синхронизма. Показано, чю только такой режим дифракции может обеспечить высокоэффективное управление оптическим излучением в широкой полосе оптических частт. Найден режим АО дифракции с использованием ТеО:. позволяющий эффекитшю управлять излучением с широким непрерывным спектром, перекрывающим болытк

часть оптического диапазона (0.5-0.73 мкм). Теоретически установлен и экспериментально проверен режим АО дифракции, обеспечивающий управление излучением всей сине-зеленой области генерации Аг-лазера (0.450.515 мкм), при взаимодействии его с поперечной акустической волной, распространяющейся в Те02 в плоскости [ПО], [001] под углом ~1.2 град, к [110]. На частоте звука 90 МГц получена суммарная эффективность дифракции всех линий не менее 90%. Рассмотрены особенности дифракции многокомпонентного излучения в двуосных кристаллах. Показана возможность коллинеарного АО взаимодействия многокомпонентного оптического излучения с одной акустической волной.

В последующих двух Разделах (четвертом и пятом) ставится обратная задача, т.е. по наперед заданным значениям длин волн многоцветного оптического излучения Х\ ... Л„ и их поляризациям определить параметры среды и геометрию АО взаимодействия, обеспечивающие брэгговскую дифракцию этих лучей на одной акустической волне. Эта задача актуальна для многолучевой лазерной интерферометрии, пространственного АО мультиплексирования и т.д. Получено строгое (численное) решение для двухкомпонентного излучения: монохроматического, представленного двумя компонентами со взаимоортогональными поляризациями (Разд. 4), и двухцветного, поляризации монохроматических составляющих которого заданы (Разд. 5). Показано, что эти режимы описываются уравнением 16-й степени в случае только анизотропной дифракции, уравнением 8-й степени в случае как изотропной, так и анизотропной дифракции, и уравнением 4-й степени, если используется только изотропная дифракция. В четвертом разделе исследуется брэгговское поляризационное расщепление (БПР) монохроматического излучения, впервые предложенное в [6], где под поляризационным расщеплением будем понимать вид АО дифракции, в результате которой две собственные волны, на которые распадается

произвольно поляризованное оптическое излучение в анизотропной среде, дифрагируюг на одном и том же звуковом луче в два различных направления (как правило в +1 и -1 дифракционные порядки). Разработана методика расчета угловых и частотных характеристик поляризационного расщепления в одноосных кристаллах, учитывающая все возможные виды АО дифракции в кристалле. Показано, что такое расщепление можно реализовать с использованием как анизотропной, так и изотропной дифракции. В одноосных кристаллах поляризационное расщепление можно реализовать только в случае, когда плоскость дифракции наклонена на некоторый угол а * 0° к оптической оси кристалла. Эксперименты, выполненные на базе одноосного кристалла LiNbO,, подтвердили основные теоретические выводы. Разработанный алгоритм численного расчета БПР позволяет получать параметры расщепления в любых одноосных кристаллах, в том числе и обладающих гиротропией. Найдены и исследованы варианты БПР, допускающие аналитическое решение. Результаты расчета подтверждены экспериментально на примере БПР в Те02 с использованием пяти различных оптических линий видимого и ближнего ИК диапазонов: Л , = 0.488 /ит; Я2 = = 0.5145 /у m; Л3= 0.633 //m; = 1.06 /лп, и Я5= 1.15//т. Для этих линий расщепление наблюдалось при АО дифракции на поперечной акустической волне, распространяющейся вдоль направления [110] с на правлением сдвига вдоль [ПО] на следующих частотах звука: f|=17.4 MHz, Г2—15.2 MHz; f(=10 MHz; Г4 ~ fj ^ 5 MHz. соответственно. Плоскость дифракции совпадала с огпической осью TeOj. Описаны функциональные возможности и преимущества использования брэгговских расщепителей в лазерных доплеровскич анемометрах (ЛДА).

В пятом разделе исследуется дифракция двухцветного оптического излучения на одной акустической волне - брэгговское расщепление (БР). В I ре I ьем Разделе было показано, что в изотропных средах реализовать

дифракцию двухцветного коллинеарно распространяющегося излучения невозможно. Однако в случае, когда двухцветное излучение падает на оптическую грань изотропной среды под некоторым углом, расщепляясь в среде на монохроматические компоненты, распространяющиеся под разными углами, они могут дифрагировать на одном звуке. Полученный вариант открывает новые возможности для управляемого расщепления двухцветного излучения, позволяя использовать в частности стеклообразные материалы, обладающие рядом достоинств: высокой оптической однородностью, возможностью получения образцов большого размера и произвольной формы, низкой стоимостью и т.д. Разработана методика получения характеристик АО расщепления двухцветного излучения, падающего на грань изотропной среды под некоторым наперед заданным углом ¡3, не равным пулю.

Рассмотрена общая задача дифракции двухцветного оптического излучения в одноосных кристаллах. Предложена классификация режимов расщепления, согласно которой все варианты разбиваются на три группы в соответствии с используемыми видами АО дифракции. Теоретически показано, что большинство вариантов могут быть реализованы на практике. На основе формализма векторных диаграмм разработана методика определения угловых и частотных характеристик АО дифракции двухцветного излучения в одноосных кристаллах и кристаллах, обладающих гиротропией. Показано, что при заданной ориентации плоскости дифракции и направления распространения акустической волны теоретически возможны 72 варианта АО дифракции двухцветного излучения на одном акустическом пучке. Однако брэгговский синхронизм двух конкретных лучей с одной акустической волной, реализуемый в конкретном кристалле, можно реализовать гораздо меньшим числом способов. В частности, для излучений 0.488 и 0.5145 т/у, распространяющихся в Те02, реально выявлены 26 способов, из которых :

6 - с использованием только анизотропной дифракции, 18 - с использованием как анизотропной, так и изотропной, и 2 - с использованием только изотропной дифракции. Выявлены варианты дифракции, допускающие аналитическое решение. Теоретически и экспериментально показано, что ГеО: является наилучшим для задач расщепления двухцветного излучения. Экспериментально исследованные варианты по дифракции двухцветного оптического излучения Аг-лазера с длинами волн 0.488 и 0.5145 /пп на одной поперечной акустической волне в монокристалле Те02 в совокупности перекрывают частотный диапазон от 15 до 230 МГц, обеспечивая эффективность дифракции 80-90%. Рассмотрено коллинеарное взаимодействие двухцветного излучения в двуосных кристаллах. Показано, что частота звука, на котором происходит коллинеарное взаимодействие двухцветного излучения, тем выше, чем выше дисперсия оптических осей.

В шестом разделе исследованы искажения гауссовых пучков в процессе АО дифракции, обусловленные двумя одновременно действующими факторами, которые присутствуют практически всегда: преломлением света на границе « воздух-среда» и переносом углового спектра оптического пучка при АО взаимодействии. Эти искажения могут достигать 18%, что в ряде случаев значительно ухудшает характеристики приборов. Для уменьшения искажений наиболее эффективным является использование АО ячеек "Й' косыми срезами, обеспечивающими нормальное падение излучения на оптическую грань ячейки. Однако при этом, с одной стороны, возрастает стоимость ячейки, а с другой - уменьшаются функциональные возможности ячейки из-за работы только на одной фиксированной частоте звука. Предложен наиболее простой и практичный метод компенсации искажений посредством использования дополнительной стеклянной призмы. Теоретически и экспериментально показано, что для практически полного с ¡ранения искажений, вносимых АО элементом из Те02, работающем в

диапазоне 10-50 МГц, вполне достаточно использовать только одну стеклянную призму с углом при вершине 60°.

В седьмом разделе рассмотрена поляризационно-независимая АО модуляция оптического излучения, основанная на сочетании АО свойств гиротропных сред и свойстве зеркальной поверхности менять поляризацию света при отражении. Разработан способ вывода как монохроматического, так и многоцветного оптических излучений с произвольной поляризацией из полости лазерного резонатора посредством использования дополнительного зеркала и одной АО ячейки, выполненной на базе гиротропного материала. Исследованы вопросы эффективности гюляризационно-независимой дифракции и пределы применимости одноосных гиротропных кристаллов для управления произвольно-поляризованным оптическим излучением. Показано, что АО ячейка, выполненная на базе монокристалла ТеО:, позволяо модулировать излучение с А — 1.06 /¡т в диапазоне часто! 5 - 90 МГц. а излучение с А — 0.4 рт - в диапазоне 40 - 450 МГц с эффективностью дифракции 80%, реализуемой на поперечной акустической волне, распространяющейся вблизи направления [110] с направлением сдвига вдоль [ПО]. Исследована поляризационно независимая АО модуляция двухцветного и многоцветною оптических излучений, основанная на обеспечении строгого брэповского синхронизма двух наиболее ярких линий мнотцвежою излучения и одной акустической волны. Экспериментально исследованы два режима поляризационно-независимой дифракции мно! оцвепюго оптического излучения. Первый режим реализован на частоте звука 60 МГц. второй - 90 МГц. Показана перспективность использования второю режима, который позноляс! выводи 1Ь все дифра!ированное излучение т полос!и лазерной) резонатора посредством дополнительных призм и одного зеркала, получена ?Ффек1ивноси> гывода излучения Ат-лазера , равная 70°».

В восьмом разделе рассмотрена АО дифракция оптических лучей на двух акустических волнах в режиме брэгговского расщепления. Описано АО мультиплексирование монохроматического и двухцветного излучений с использованием брэгговского расщепления для задач ВОЛС и ЛДА. Пятикомпонемтное расщепление (пространственное АО мультиплексирование 1x5) реализовано на базе монокристалла Те02, вдоль направлений [110] и [ПО] которого генерировались поперечные звуковые волны пьезо-преобразователем из иЫЬО(. Режим брэгговского расщепления для длин волн оптического излучения 0.488, 0.5145 и 0.633 /пи, поочередно расщепляемых АО ячейкой, обеспечивался на следующих акустических частотах: для Я | = 0.488 и ш ^ = Г2 = 20.1 МГц с полосой А {= 0.1 МГц; для X | - 0.5145 //т Г, - (2 - 16.0 МГц с полосой ДГ=0.1МГц; для X , - 0.633 ¿лп = Г2 = 13.5 МГц с полосой А {= 0.3 МГц; Во всех случаях подводимая электрическая мощность была менее 0.2 Вт. Для задач двухкоординатной анемометрии исследованы и изготовлены четырехкомпонентные расщепители, основанные на дифракции двухцветного излучения на двух взаимоортогональных акустических волнах. АО ячейки предназначались для расщепления двухцветного излучения Аг-лазера (Я1 = 0.488 и Я з = 0.5145 /ли) на две взаимоортогональные монохромгггическне пары. Оптическая грань ячейки была скошена для обеспечения оптимальных условий АО взаимодействия. Расщепление реализовывалось на частотах акустических волн 18.9 МГц и 15.2 МГц. Эффективность дифрагированных лучей в каждой паре была не менее 80% от падающего излучения при управляющей мощности < 0.4 Вт.

Развиты методы коммутации 2x2 в режиме двухлучевой брэгговской дифракции, впервые предложенной в [7]. Рассмотрены три варианта АО дифракции с использованием как изотропного, так и анизотропного режимов АО нзаимодействия. Исследованы принципы коммутации 2x2 лучей с

разными длинами волн, экспериментально подтвержденные на примере переключения лучей Аг-лазера. Рассмотрены как объемные, так и пленарные варианты коммутации двухцветного излучения. Рассмотрено использование АО расщепителей и коммутаторов 2x2 в составе волоконно-оптического гироскопа, приведены оптические схемы гироскопов, обсуждены их достоинства и недостатки.

В Заключении перечисляются наиболее важные из полученных результатов.

Приведем, основные результаты, полученные в диссертации.

1. Сформулирована задача акустооптической (АО) дифракции многокомпонентного оптического излучения на одной акустической волне в линейном приближении. Получена система дифференциальных уравнений, описывающая такую дифракцию. В приближении плоских оптических и акустических волн развита методика расчета угловых и частотных характеристик дифракции многокомпонентного оптического излучения при заданных параметрах АО среды, акустической волны и геометрии АО взаимодействия. Впервые показана принципиальная возможность реализации строгого брэгговского синхронизма шести различных оптических лучей с одной акустической волной.

2. Исследована АО дифракция многоцветного оптического излучения на одной акустической волне с расстройкой брэгговского синхронизма. Показано, что только такой режим дифракции позволяет управлять оптическим излучением с широким непрерывным спектром. Найден режим, позволяющий обеспечить в принципе высокоэффективную (более 85%) дифракцию оптического излучения в полосе 0.5-0.73 мкм при использовании ТеО; . Впервые теоретически и экспериментально показано, что наилучшим режимом для управления шестицветным излучением Аг-лазера, генерирующего в сине-зеленой области спектра (0.45-0.515 мкм) с

использованием монокристалла ГеО: является АО дифракция на поперечной акустической волне частотой 90 МГц. распространяющейся в плоскости [110], [001] под углом 1.2" к направлению [110].

3. Впервые найден вариант брэгговского поляризационного расщепления, допускающий аналитическое решение. Результаты подтверждены эксперимен тально на примере дифракции в 1дЫЬО.!.

4. Решена общая задача дифракции двухцветного излучения в одноосных кристаллах при заданных поляризациях оптических лучей. Выявлено, что в общем случае эта задача допускает только численное решение. Теоретически исследованы все варианты такой дифракции, выявлены особенности каждого варианта. Найдены режимы дифракции, допускающие аналитическое решение.

5. Впервые экспериментально получены режимы брэгговского расщепления на основе ТеОг, когда поляризации входных лучей совпадают между собой. Показано, что парателлурит на сегодняшний день является наилучшим для расщепления двухцветного излучения в диапазоне длин волн 0.4-1.0 и т. Исследованные варианты в совокупности перекрывают частотный диапазон от 15 до 230 МГц для расщепления двух самых ярких линий Аг-лазера (0.488 и 0.514 мкм). обеспечивая эффективность дифракции не менее 80%.

5. Обнаружена возможность коллинеарного взаимодействия двухцветного излучения с одной акустической волной в двуосных кристаллах, которая обусловлена зависимостью угла между оптическими осями двуосного кристалла от длины волны света.

6. Исследовано искажение формы гауссовою пучка, обусловленное двумя одновременно действующими факторами, присутствующими практически всегда: преломлением езета на границе «воздух-среда» и переносом углового спектра оптическою пучка при АО взаимодействии. Показано, что наиболее простом и практичным способом устранения этих искажений бе!

значительного увеличения дороговизны АО элемента в целом является использование дополнительной стеклянной призмы. В частности, теоретически и экспериментально выявлено, что для полного устранения искажений, вносимых АО элементом на базе ТеО:. вполне достаточно использования одной стеклянной призмы с углом при вершине 60°.

7. Впервые предложен и исследован новый метод управления произвольно-поляризованным оптическим излучеиием. основанный на АО дифракции в гиротропной среде и на свойстве зеркальной поверхности менять поляризацию света при отражении. Выявлено, что такую модуляцию можно осуществить путем использования как анизотропной, так и изотропной дифракции. Показано, что АО ячейка, выполненная на базе Те02. позволяет модулировать излучение с длиной волны 1.06 ¿ли в диапазоне частот 5-90 МГц, а с длиной волны 0.4 мкм - в диапазоне 40-450 МГц. Экспериментально исследованная модуляция произвольно поляризованного излучения Не-№ лазера показала эффективность дифракции 90% на частоте звука 35 МГц.

8. Теоретически и экспериментально исследована по.^яризационно-независимая АО дифракция двухцветного и многоцветного оптических излучений, основанная на обеспечении строгого брэгговского синхронизма между двумя наиболее яркими линиями многоцветного излучения и одной акустической волной. Исследованы два режима дифракции шестицветного излучения Аг-лазера в Те О; на акустических частотах 60 и 90 МГц. Выявлена более высокая эффективность второго режима, позволившая выводить до 70% оптической мощности многоцветного произвольно поляризованного излучения из полости лазерного резонатора.

9. Предложены и исследованы режимы АО пространственного мультиплексирования 1x5. режимы разделения двухцветного излучения на две зондирующие пары для задач ЛДА. основанные на взаимодействии

оптического луча с двумя акустическими волнами в режиме брэгговскогс расщепления.

10. Впервые теоретически и экспериментально исследована дифракция двух оптических лучей с разными длинами волн на двух акустических пучках в режиме двухлучевой брэгговской дифракции. Предложены и исследованы планарные варианты переключателей 2x2, созданы макеты переключателей, показана перспективность их использования в волоконных гироскопах.

Работы автора, содержащие основной материал диссертации.

1. Котов В.М. Брэгговское поляризационное расщепление // Письма в ЖТФ. -

1991.-Т.П. В.9. - С. 12-15.

2. Котов В.М. Брэгговские поляризационные расщепители // Акуего-электроника и физическая акустика твердого тела: Тез.докл. 15-Всесоюзн. Конф. 4-8 Июля 1991. Ленинград,- С.60-61.

3. Котов В.М., Шкердин Г.Н. Смешанное переключение оптических каналов. // Оптические сети связи: Тез.докл.2-Науч-Тех.Конф. 21-25 Октября 1991. -Владимир,- С.52-55.

4. Котов В.М., Шкердин Г.Н., Щукин Ю.М. Акустооптический двухцветный расщепитель для ВОЛС.// Оптические сети связи: Тез.докл.2-Науч-Тех.Конф. 21-25 Октября 1991. -Владимир,- С.56-59.

5. Котов В.М. Пятикомпонентный брэгговский расщепитель.//Применение халькогенидных стеклообразных полупроводников в ошоэлектронике: Тез. докл. З-Всесоюзного Совещания. 4-9 Октября 1991.-Кишинев.-С.56-57.

6. Котов В.М. Пятикомпонентный брэгговский расщепитель.// Квант. Эл-ка,-

1992.-Т.19, В.10,- С,1038-1040.

7. Котов В.М. Брэгговское поляризационное расщепление в одноосныч кристаллах.// Автометрия.-1992,- № 3,- С. 161-164.

S. Котов В.M. Устранение «сноса» лучей в акустооптической ячейке.//Датчики-92:Тез.докл. 5-7 Мая 1992. - Каунас,- С.14.

9. Котов В.М., ШкерДин Г.Н. Двухцветное брэгговское расщепление для ЛДА.// Датчики-92 :Тез.докл. 5-7 Мая 1992. - Каунас,- С. 16.

10. Котов В.М., Шкердин Г.Н. Искажение гауссового пучка при акусто -оптической дифракции.// Датчики-92:Тез.докл. 5-7 Мая 1992. - Каунас.-С. 15.

11. Котов В.М. Четырехкомпонентный расщепитель для двухцветных ЛДА.// Письма в ЖТФ.-1992.-Т.18,В.12,- С.32-33.

!2. Kotov V.M., Shkerdin G.N. Two-coloured Bragg splitting of laser radiation.// Photonic Switching: Proc. of Int. Topical Meeting. July 1-3, 1992,-Minsk, Republic of Belarus.-P.P5.

13. Котов В.М. Двухцветное расщепление в анизотропных средах, обладающих гиротропией.//ЖТФ.-1992.-Т.62,В.8,- С.95-101.

14. Kotov V.M., Shkerdin G.N. Acoustooptical Switches 2x2 for Fiber Optic Communications.//ISFOC'93: Conf.Proc. April 26-30, 1993.-St.Petersburg.-P. 175-178.

15. Котов В.М. Двухцветное брэгговское расщепление Аг-лазера.//Опт. И Спектр.-1993.-Т.74,В.2.-С.386-391.

16. Котов В.М. Комбинированное переключение оптических каналов 2x2.// ЖТФ,-1993.-Т.63,В. 1 .-С. 180-183.

17. Котов В.М. О дифракции света на ультразвуке в одноосных гиротропных кристаллах.//ЖТФ.-1993.-Т.63,В.2.- С. 167-170.

18 Kotov V.M., Shkerdin G.N. Four-component splitting of laser radiation.//Opt. Inform.Proc: Int.Conf. 2-4 Aug.,1993.-St.Petersburg, Russia.-P/133.

19. Kotov V.M., Shkerdin G.N. Two-coloured Bragg Splitting.//Proc. SPIE.-1992. -V. 1807.-P.500-505.-1993.

20. Котов В.М. Некоторые особенности двухцветного брэгговского расщепления.//Письма в ЖТФ,-1993.-Т. 19,В. 10.-С. 11 -13.

21. Котов В.М. Акустооптический расщепитель-сдвигатель частоты для волоконно-оптических гироскопов.//Письма в ЖТФ.-1993.-Т. 19,В 15.-С. 1-5.

22. Котов В.М. К вопросу оптимизации акустооптического модулятора на основе Те02.//ЖТФ.-1993.-Т.63,В11- С. 103-109.

23. Kotov V.M., Shkerdin G.N. Four-component splitting of laser radiation.//SPIE.-

1993.- V.2051.- P.678-683.

24. Kotov V.M., Shkerdin G.N. Bragg polarization splitters of light.//Photonics and Optoelectronics. Allerton Press, Inc.-New York,1993.-V.l(3).-P.159-166.

25. Котов В.М. Амплитудно-частотные характеристики двухцветного брэгговского поляризационного расщепления.//Опт. и Спектр.-1994,- Г.76, № 3.-С.479-483.

26 Котов В.М., Шкердин Г.Н. Поляризационно-нечувствительная акусто-оптическая модуляция лазерного излучения.//Письма в ЖТФ. -1994. - Т.20, №6.- С.35-38.

27. Котов В.М. Высокочастотное двухцветное расщепление лазерного излучения.//Опт. и Спектр,-1994.-T.77.B.3.-C.493-497.

28. Котов В.М.. Шкердин Г.Н. Призменная коррекция искажений гауссового пучка, вносимых акустооптическими элементами.//Радиотехника и эл-ка.-

1994.-Т.39.В.5,- С.705-709.

.29. Котов В.М.. Шкердин Г.Н. Акустооптические расщепигели-сдвигатели частоты для двухцветных лазерных анемометров.//Акустический журнал.-1994.-Т.40,В.2.- С.309-310.

30 Котов В.М. Анализ четырехкомпонентного поляризационного расщепления монохроматического излучения.//ЖТФ.-1994.-Т.64.В.7,- С.93-98.

31. Котов В.М. Поляризационно-независимая модуляция лазерного излучения посредством акустооптического взаимодействия.//Квантовая эл-ка.- 1994,-Т.21,В. 10,- С.937-940.

32. Котов В.М. Искажения гауссовых пучков акустооптическими элементами в лазерных доплеровских анемометрах.//ЖТФ.-1994.-Т.64,В.8,- С.145-152.

33. Kotov V.M., Shkerdin G.N. New type of polarization-independent acoustooptic modulation of laser radiation.//Proc.of ISSWAS-94: 17-23 May 1994,- Moscow-St.Petersburg, on board the Ship «Leonid Krasin». -P.108.

34. Котов В.М. Поляризационно-независимая модуляция многокомпонентного лазерного излучения.//ФТТ.-1995.-Т.37,В.1,- С.261-270.

35. Котов В.М. Акустооптическая модуляция многокомпонентного излучения Аг-лазера.//Квантовая эл-ка.-1995,- Т.22,В.6 .- С.579-582.

36. Котов В.М. Акустооптическая модуляция лазерного излучения с произвольной поляризацией./'/ЖТФ.-1995.-Т.65,В.7.- С. 108-116.

37. Котов В.М. Акустооптическое расщепление двухцветного излучения при наклонном падении акустической волны.//Опт. и Спектр.-1995.-Т.79,В.2,-С.307-312.

38. Котов В.М. К вопросу о поляризационно-независимой акустооптической модуляции многокомпонентного лазерного излучения.//Опт. и Спектр.-1995,- Т.79.В.6 .- С.1034-1039.

39. Котов В.М. Вывод произвольно поляризованного излучения из полости лазерного резонатора посредством акустооптического взаимодействия.// Письма в ЖТФ,- 1995.-Т.21 .В.23.-С.60-63.

40. Котов В.М. Акустооптические расщепители на основе анизотропных кристаллов дтя задач анемометрии.//Оптические методы исследования поюков: Те?.докл. 3 Международной Науч-Техн. Конф. 21-23 Июля 1995 -Москва. МЭИ,-С 30-31.

41. Котов В.М. Высокочастотный акустооптический расщепитель-сдвигатель частоты двухцветного излучения на основе ТеОi.H Оптические методы исследования потоков: Тез.докл. 3 Международной Науч-Техн. Конф. 21 -23 Июля 1995,- Москва, МЭИ,- С.32-33.

42. Котов В.М. Дифракция двухцветного излучения на одной акустической волне в одноосных кристаллах.//ЖТФ.- 1996.- Т.66,В.5.-С.99-107.

43. Котов В.М., Шкердин Г.Н. Поляризационные особенности акустоонтической дифракции двухцветного излучения в гиротропных кристаллах.//Акустический журнал.-1996.-Т.42,В.5.-С.726-727.

44. Котов В.М. Акустооптический коммутатор 2x2 оптических лучей с разными длинами волн на основе монокристалла ТеО^.// ЖТФ. - 1997. -Т.67,В.2.- С.66-71. •

45. Котов В.М. Акустооптические переключатели 2x2 оптических лучей с разными длинами волн для волоконно-оптических гироскопов.// Квантовая эл-ка.- 1997.-Т.24,В.5.-С.471-474.

46. Котов В.М. Акустооптический переключатель 2x2 излучений с разными длинами волн, как элемент волоконно-оптического гироскопа.//ЖТФ,-1997,- Т.67.В.7,- С.57-62.

47. Kotov V.M., Shkerdin G.N. Acousto-Optic Bragg Diffraction of Multi Component Optical Radiation on the Single Acoustic Wave.// Advances in Acousto-Optics «АА-0'97»: Proc.of 2-nd European Acousto-Optic Club Meeting. June 24-25, 1997.- St.Petersburg, Russia. - P.9.

Цитируемая литература:

1. Гуляев Ю.В., Проклов В.В., Шкердин Г.Н. Дифракция света на звуке в твердых телах // УФН. - 1978. - Т. 124, № I. - C.61-111.

2. Кулаков С.В. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа сигналов. - Л.: Наука, 1978. - 144 с.

3. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и Связь, 1985. - 280 с.

4. Proklov V.V., Bashlakov A.I., Birjukov V.A. Architectures for space wavelengths photonic switching using colhnear guided wave acoustooptics// Opt.Computing Proc. of Int. Conf./Heliot - Watt University.-Edinburg, UK.- 2225 Aug.,1994,- P.629-632.

5. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings// Bell Syst. Tech.J. - 1969.-V.48.-P.2909-2949.

6. A.c.1007521 СССР, МКИ G 01 P3/36. Лазерный доплеровский измеритель скорости/ С.Н.Антонов, В.М.Литвинов, В.В.Проклов и др.(СССР).-13с.: ил.

7. Антонов С.Н., Гуляев Ю.В., Котов В.М., Поручиков П.В. Акустооптическое переключение оптических каналов // Радиотехника и электроника. - 1987. -Т.32, В.З. - С.623-628.

Подписано в печать 2.1.0.4.1998 г.

Формат 60\84/16 Объем 1.63 \сл п л. Тираж 10(1 экч.

Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.7.



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК с ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Я^о

На правах рукописи

//

Ч

9 :/Ч

КОТОВ ' Владимир Михайлович

АКУСТООПТИЧЕСКАЯ БРЭГГОВСКАЯ ДИФРАКЦИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и

диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1998

акустооптическая брэгговская дифракция многокомпонентного оптического излучения

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

1. ВВЕДЕНИЕ...............................5

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С УПРУГИМИ КОЛЕБАНИЯМИ В КРИСТАЛЛАХ. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ............... 24

2.1. Акустооптический (АО) эффект. Особенности АО взаимодействия в изотропных и анизотропных средах ..... ..... ........ 24

2.2. Брэгговский режим АО дифракции с расстройкой фазового синхронизма.............30

2.3. АО взаимодействие при выполнении строгого брзгговского синхронизма. Предельные

параметры брэгговской дифракции..........33

2.4. Формализм векторных диаграмм для описания

АО взаимодействия................ . 35

2.5. Основные результаты раздела. . .... ...... 40

3. АО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ОДНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНОЙ.......41

3.1. Дифракция многокомпонентного оптического излучения на одной акустической волне.

Постановка задачи.................41

3.2. Особенности АО взаимодействия многокомпонентного излучения в одноосных кристаллах. .... 44

3.3. Дифракция многокомпонентного оптического излучения в одноосных кристаллах,

обладающих гиротропией.............. 58

3.4. Дифракция многокомпонентного излучения в одноосных гиротропных кристаллах с

расстройкой брзгговского синхронизма ....... 71

3.5. Особенности АО дифракции многокомпонентного излучения в двуосных кристаллах ....... 76

3.6. Экспериментальные исследования АО дифракции многокомпонентного излучения на одной акустической волне ....... ......... 80

3.7. Основные результаты раздела. ......66

4. БРЭГГОВСКОЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ (БПР) МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ..................88

4.1. БПР монохроматического излучения в одноосных кристаллах.................88

4.2. Псевдо-БПР монохроматического излучения в одноосных кристаллах ............... 98

4.3. Брэгговское расщепление (БР) и БПР монохроматического излучения в одноосных

кристаллах,обладающих гиротропией. . ....... 103

4.4. Брэгговские поляризационные расщепители, как элемент лазерного доплеровского

анемометра....................107

4.5. Основные результаты раздела............112

5. БРЭГГОВСКОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ ДВУХЦВЕТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.....114

5.1. Псевдо-БР двухцветного излучения в

изотропных средах. . ............... 114

5.2. БР двухцветного излучения в одноосных

кристаллах. Общее решение задачи ......... 118

5.3. БР двухцветного излучения в одноосных кристаллах. Режимы расщепления,

допускающие аналитическое решение.........135

5.4. АО дифракция двухцветного излучения в двуосных кристаллах. Режим коллинеарного взаимодействия .................. 148

5.5. БР двухцветного излучения в

гиротропных кристаллах .............. 154

5.6. Экспериментальные исследования АО

дифракции двухцветного излучения ......... 166

5.7. Основные результаты раздела............174

6. ИСКАЖЕНИЯ ГАУССОВЫХ ПУЧКОВ В ПРОЦЕССЕ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ................177

6.1. Виды искажений оптического луча, обусловленные

АО взаимодействием................177

6.2. Искажения гауссовых пучков, обусловленные преломлением на границе двух сред и переносом углового спектра пучка в процессе АО взаимодействия......................179

6.3. Призменная коррекция искажений гауссового

пучка. ..........................186

6.4. Эксперимент...........................190

6.5. Основные выводы. .....................193

7. ПОЛЯРИЗАЦИОШО-НЕЗАВИСИМАЯ АО МОДУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ.......................194

7.1. Модуляция оптического излучения с произвольной поляризацией. Актуальность проблемы........194

7.2. АО модуляция произвольно-поляризованного оптического излучения, основанная на двойном

прохождении луча через гиротропную среду ..... 196 7.3. Эффективность поляризационно-независимой дифрак-

ции при двойном прохождении излучения через

одноосный гиротропный кристалл ....... ... 200

7.4. Поляризационно-независимая АО модуляция двухцветного и многоцветного оптических излучений. . . 210

7.5. Эксперимент....................214

7.6. Основные результаты раздела........... . 220

8. ДИФРАКЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ДВУХ АКУСТИЧЕСКИХ * ВОЛНАХ. РЕЖИМЫ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ И КОММУТАЦИИ 2x2 . . 221

8.1. АО мультиплексирование монохроматического и двухцветного излучений с использованием брэгговского расщепления . ................221

8.2. АО дифракция двух оптических лучей на двух акустических пучках. Режим коммутации 2x2..... 226

8.3. АО коммутация 2x2 оптических лучей с разными длинами волн...................232

8.4. Планарные режимы АО коммутации 2x2 лучей

с разными длинами волн ..............238

8.5. АО расщепители и коммутаторы 2x2 как элементы волоконно-оптического гироскопа...............244

8.6. Основные результаты раздела............252

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................. 254.

10. Л И Т Е Р А Т У Р А..................260

11. РАБОТЫ АВТОРА, СОДЕРЖАЩИЕ ОСНОВНОЙ МАТЕРИАЛ < ДИССЕРТАЦИЙ. .................... . 277

введение

Оптические методы в настоящее время все шире используются для обработки, передачи и хранения информации. С момента изобретения источников оптического когерентного излучения (лазеров) в конце 50-х годов радиоэлектроника стала быстро осваивать оптическую область частот, что наряду с другими применениями, традиционно связанными с оптикой (фотографией, спектроскопией, микроскопией, телескопией и т.п., широко использующих

некогерентное излучение) значительно увеличило возможности обработки сигналов.

"Оптическая революция" произошла не только благодаря изобретению лазеров,но и появлению и совершенствованию таких областей оптики, как интегральная оптика, волоконная оптика, электро-, акусто- и магнитооптика, голография, Фурье-оптика и т.д., что в свою очередь стимулировало поиски и исследования принципов обработки сигналов в реальном масштабе времени, с большой скоростью и в широкой полосе частот.

Одной из наиболее перспективных для этих целей считается акустооптика (АО) СИ. На ее основе могут быть созданы быстродействующие корреляторы, конвольверы, согласованные фильтры, матричные процессоры и т.д.

В настоящее время существует целый ряд прекрасных монографий и обзоров, где подробно рассмотрены теория и прикладные аспекты АО взаимодейтвия. К ним прежде всего относятся классические работы Ю. В. Гуляева, В. В. Проклова и Г. Н. Шкердина С23, C.B. Кулакова СЗЗ, Л.Н. Магдича и В. Я. Молчанова С43, И. Б. Яковкина и Д. В. Петрова С5], В. И. Валакшия, В.Н. Парыгина > и Л.Е. Чиркова С63 и многих-многих других.

Акустооптика - сравнительно молодое направление науки и

техники, базирующееся на явлении дифракции света на акустических волнах. Физической причиной этого взаимодействия является упругооптический эффект, имеющий место в любых упругих средах.

На характер АО взаимодействия влияют как оптические, так и акустические свойства среды, характеризуемые в общем случае комплексной диэлектрической проницаемостью и комплексным акустическим импедансом, соответственно.Это широко используется для физических исследований различных сред. Дифракция света на ультразвуке СУЗ) дает возможность измерять локальные характеристики УЗ полей С8,9],исследовать сложные композитные структуры С103, полупроводниковые и проводящие среды [23. АО дифракция позволяет измерять многие параметры вещества: скорость и коэффициент затухания звука, модули упругости, упругооптические постоянные £2-7,11,123, характеристики поверхностных акустических волн Е5,133 , и т.д.

Акустооптика является одним из самых перспективных методов обработки оптических и электрических сигналов благодаря ряду уникальных характеристик, присущих АО элементам С14], к которым относятся:

- низкий уровень оптических потерь;

- высокая эффективность дифракции;

- высокая контрастность;

- широкая полоса частот;

- большая величина произведения времени на полосу частот;

- возможность амплитудной, частотной, фазовой и поляризационной модуляции оптического излучения;

- высокоразвитая технология изготовления АО элементов;

- доступные цены.

Акустооптика позволяет модулировать оптическое излучение на. частотах до 3 Ю9 Гц с полосой до 2,5 Ю3 Гц и быстродействием

2*5 Ю"9 с [15-181, сканировать оптическое излучение с числом разрешимих положений более 10 [14,19-223, что быстро нашло широкое применение в лазерных дисплеях, сканерах, лазерных принтерах [23-283.

АО ячейки оказались эффективными для преобразования электрических сигналов в оптические. Это привело к появлению АО спектро-анализаторов [29-313, это стало началом бурного развития с 70-х годов нового направления в акустооптике - АО процессоров (корреляторов, конвольверов [32-343, корреляторов распознавания образов [35,363, и т.д.), работающих с высоким быстродействием и в реальном масштабе времени.

Сдвиг частоты дифрагированного оптического излучения на частоту звуковой волны, присущий АО взаимодействию, нашел широкое применение в лазерных допплеровских анемометрах (см.напр.Е373), радарах [383, и т.п. Особое место среди АО приборов занимают перестраиваемые АО фильтры, обладающие широкой угловой апертурой и возможностью быстрой перестройки [39,403. На базе АО взаимодействия создаются высокоэффективные модуляторы добротности лазеров [16,413, акустооптика используется для коммутации оптического излучения [423, в волоконных гироскопах [433, и т.д.

Трудно перечислить все области, в которых в настоящее время используются АО элементы. Однако вышеизложенного вполне достаточно для понимания важности и многофункциональности акусто-оптики для задач управления оптическим излучением, обработки оптических и электрических сигналов.

Взаимодействие света с акустическими колебаниями решетки кристалла теоретически впервые было изучено в работах Вриллюэна [443 и Мандельштамма [453. Экспериментально взаимодействие света, с введенным извне когерентным звуком впервые было

осуществлено Дебаем и Сирсом С 46] и Люка и Бикаром С 47] в 1932 г. В дальнейшем это явление подробно изучалось как теоретически, так и экспериментально.

Существует несколько механизмов АО взаимодействия, но все они так или иначе сводятся к одному - изменению оптической длины пробега луча света в области АО взаимодействия, вызванному акустической волной.

Одним из основных механизмов АО взаимодействия является изменение диэлектрической проницаемости кристалла е1к под действием звуковой волны. В диэлектриках при наличии звука е1к имеет вид:

где е°к- тензор диэлектрической проницаемости в отсутствие звука; и^ - тензор деформации в кристалле; Р1мпЛ - упруго-оптический тензор (см.напр. [II]). Ввиду того, что е1к зависит от деформации кристалла, при распространении звуковой волны в кристалле возникает объемная дифракционная решетка. Если фронт падающей электромагнитной волны имеет ширину много б;льшую длины волны звука, возникает дифракция электромагнитных волн на звуке. Отметим, что в [9] рассмотрены случаи, когда фронт оптического луча меньше или равен длине волны звука, исследованы сопутствующие этим случаям эффекты (искривление фронта оптического луча, его сканирование, фокусировка и дефокусировка и т.д.), однако в дальнейшем мы всюду будем предполагать малость длины волны звука по сравнению с шириной фронта оптической волны, т.е. вариант, наиболее часто встречающийся на практике.

Самостоятельной и достаточно сложной задачей оказался расчет полей электромагнитной волны, дифрагирующей на звуковой решетке. Отметим самые важные этапы решения этой проблемы. Дебай С48] и Бриллюэн [49], применяя метод возмущений к неупрощенным уравне-

ниям поля, нашли приближенное решение, пригодное для слабых звуковых волн. Это решение, описывающее спектры ± 1-х дифракционных порядков в рамках применимости метода возмущений, достаточно полно передает особенности дифракции, обусловленные ее объемной природой. В работах Рамана и Ната [50-54] был разработан метод расчета полей электромагнитной волны, позволяющий при определенных условиях рассчитать спектры многих дифракционных порядков. В другом предельном случае, когда существенны только два дифракционных порядка, возникает объемное отражение световой волны от звуковой решетки с перекачкой значительной доли энергии в дифракционный порядок (см. напр.[55-583). Этот случай получил название брэгговской дифракции, при этом свет на выходе приобретает, вообще говоря, амплитудно-фазовую модуляцию (в отличие от классического случая Рамана-Ната, где имеется только фазовая модуляция).В промежуточной области расчет интенсивности дифрагированных порядков, как правило, выполняется численными методами (см. напр. [58,591).

Строгий классический расчет интенсивности дифракционных порядков можно проводить либо решая систему уравнений Максвелла в дифференциальной форме с привлечением системы граничных условий, либо решая интегральное уравнение для амплитуды поля в неоднородной среде со звуковой волной. Второй метод был развит как для изотропных, так и анизотропных сред в работах [60,613. Здесь прошедшее и отраженное поле находится самосогласованно и не требуется введения граничных условий [623. В настоящее время достаточно подробно рассмотрен классический расчет интенсивности дифракционных порядков на звуке заданной амплитуды в различных режимах дифракции [2-7,9,12,21,58,633.

Принципиальным моментом АО взаимодействия является необходимость учета локальных поворотов, возникающих при деформации,

как это происходит в случае распространения сдвиговых волн. Это требует более общего рассмотрения фотоупрутого тензора, на что впервые указано Нельсоном и Лэксом С643. Однако эта поправка в большинстве практических случаев незначительна С71 и мы в дальнейшем учитывать ее не будем.

В настоящее время одной из перспективных областей акустооптики является АО взаимодействие многокомпонентного оптического излучения с упругими волнами, где под многокомпонентностыо понимается многоцветность луча с учетом двух возможных состояний поляризации каждой монохроматической составляющей. Такое взаимодействие расширяет возможности исследования конденсированных сред (вблизи экситонных резонансов,композитных структур и т.п.), позволяет создать принципиально новые датчики физических величин, использовать в многоканальных системах передачи информации, для обработки сложных оптических сигналов, оптических изображений, и т.д.

Дифракция многокомпонентного излучения позволяет как расширить возможности традиционных АО элементов (модуляторов, дефлекторов и т.д.), так и разрабатывать принципиально новые АО устройства. В настоящий момент уже предложены многие режимы АО дифракции для управления и обработки двухкомпонентного и многокомпонентного оптических излучений. Вот лишь некоторые из них: I. Широкоапертурная дифракция двухкомпонентного оптического излучения на одной акустической волне, рассмотренная Ли [65], позволяет создавать поляризационно-независимые АО модуляторы с широкой угловой апертурой. Такие модуляторы с одной стороны реализуют преимущества анизотропной дифракции света на звуке (малые управляющие мощности, большие углы дифракции), а с другой - устраняют один из недостатков анизотропной дифракции -ее поляризационную селективность.

2. Газале с сотрудниками С66] исследовал и предложил режимы АО модуляции двухцветного излучения аг-лазера с длинами волн 0,514 и 0,488 посредством взаимодействия с акустическими волнами, распространяющимися в Те02 и генерируемыми одним преобразователем. При этом каждое излучение независимо модулируется с полосой 6 МГц, что является перспективным для формирования цветного телевизионного изображения. Они же продолжили работу не только по модуляции, но и по сканированию двухцветного излучения, результатом которой стал двухцветный бездисперсионный дефлектор С673 без сферических и хроматических аберраций. Это позволило создать двухмерное изображение с разрешением 128x64.

3. Майдан С 683 разработал быстродействующие АО элементы для вывода двухцветного оптического излучения из полости лазерного резонатора. Созданные модуляторы позволяют выводить двухцветное излучение Аг-лазера за время ^ 3 цс, мощность выходного излучения составила 100 Вт, что в 50 раз выше мощности генерации лазера, выводимого через лазерное зеркало.

4. В.М. Епихин и Ф. Л. Визен с сотрудниками использовали АО дифракцию двухкомпонентного излучения для улучшения параметров АО фильтров. В [693 ими разработан широкоугольный АО фильтр с одновременной дифракцией ортогонально поляризованных составляющих излучения на одном звуковом пучке (двухполяриза-ционный АО фильтр), в С70] ими предложен метод расширения спектрального диапазона (- в два раза) неколлинеарного АО фильтра, в С71] - описан двухканальный фильтр с новыми функциональными возможностями, в котором на одной звуковой волне осуществляется �